用于开采天然气水合物的逆向三水平井井网结构及方法

本发明属于天然气水合物开采，具体涉及一种用于开采天然气水合物的逆向三水平井井网结构及方法。

背景技术：

1、天然气水合物(natural gashydrate)是指天然气与水在特定温度和压力(低温高压)下生成的一种笼型晶体物质，似冰雪状，因其可以点燃，故俗称为“可燃冰”。天然气水合物主要以固态的形式储存在于冻土和深海中。全球天然气水合物估算储量有1015～1018stm3，超过了全部探明的传统油气的储量。因此，天然气水合物被认为是最有前景的可替代能源，它能满足世界能源和未来气候变化的要求。在过去的数十年里，天然气水合物已经是一项热点研究，并且大多数研究都致力于从天然气水合物中开采出天然气。

2、水合物藏开采天然气是一个复杂过程，它涉及多相(气、液、冰和水合物)流动、热传递以及吸热反应。目前，天然气水合物的开采主要有注热法降压法、化学剂法和二氧化碳置换法等方法。注热法是将带有一定温度的热流体注入到天然气水合物储层里，或者采用火驱等井下加热方法，提升储层内的体系温度，促使天然气水合物分解；降压法是通过降低储层体系压力，在一定程度上改变水合物的相平衡，促使天然气水合物分解；化学剂法是通过注入甲醇类的化学试剂，促使天然气水合物分解；二氧化碳置换法是通过向储层中注入一定压力、温度的二氧化碳，置换出天然气水合物中的甲烷，促使天然气水合物分解。虽然上述方法均能够实现天然气水合物的开采，但水合物储层较低的传热效率和导流能力至今仍是开采天然气水合物的两大难题。

3、公布号为cn108915643a的发明专利，公开了一种用于开采海洋水合物的双连通井结构，通过在水合物层设置上下间隔排布的两个连通井，能够在两个连通井之间形成压差，在压差的作用下，水合物层内会形成相应的流动通道，以利于注入流体和水合物层中流体的流动，增大注入流体与水合物层的接触面积，而且流体的流动还能够带动热量的交换，从而提高水合物层的传热效率和导流能力，提升天然气水合物的开采效率。但是，该发明同时采用了注热法和置换法，提供了两个注入通道却只有一个采出通道，天然气水合物分解后的气体、液体和砂粒若不能及时排出，将会导致储层压力升高，砂粒堵塞采出通道，影响开采效果。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种以注入井为中心，以丛式井方式向四周射线状布设的用于开采天然气水合物的逆向三水平井井网结构及方法，这种结构可有效排出砂粒和水，避免井筒堵塞，还能防止储层垮塌。

2、为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

3、用于开采天然气水合物的逆向三水平井井网结构，包括多个三水平井井组，各三水平井井组沿注入井呈放射状均匀布置；每个三水平井井组均由生产井、注热分支井和排砂井构成，其中生产井包括生产竖直段和生产水平段，注热分支井包括注热造斜段和注热分支水平段，排砂井包括排砂竖直段和排砂水平段，所述生产水平段、注热分支水平段和排砂水平段均位于天然气水合物储层中，所述生产水平段靠近上覆岩层，排砂水平段靠近下覆岩层，注热分支水平段位于生产水平段和排砂水平段之间；所述三水平井井组中的注热分支井均与注入井连通；

4、在每个三水平井井组中，所述生产水平段、注热分支水平段以及排砂水平段的井壁上沿长度方向均匀间隔的设置有若干隔热管组，各个隔热管组由一根设置于生产水平段上的隔热管、一根设置于注热分支水平段上的隔热管以及一根设置于排砂水平段上的隔热管组成，同一隔热管组中的隔热管上下对齐；在生产水平段、注热分支水平段以及排砂水平段的井壁上未设置隔热管的部分设置有开孔。

5、进一步的，在每个三水平井井组结构中，优选生产水平段的延伸方向和排砂水平段的延伸方向相同，注热分支水平段的延伸方向与之反向，这样更有利于三水平井井组的布设。

6、进一步的，在每个三水平井井组结构中，所述开孔在生产水平段、注热水平段或排砂水平段的井壁上沿井壁长度方向上间隔分布，同时沿井壁周向均匀分布。更进一步的，所述开孔的口径优选为天然气水合物储层中最大砂粒半径的2倍以上。

7、本发明还包括利用上述逆向三水平井井网结构开采天然气水合物的方法，包括以下步骤：

8、1)分别向各三水平井井组中的生产井、注热分支井和排砂井注入热流体，在相应三水平井井组中的生产井、注热分支井和排砂井内部进行热循环，热流体经生产井、注热分支井和排砂井上的开孔向外扩散，通过持续热循环，在包括生产水平段、注热分支水平段和排砂水平段上开孔位置相应的同一竖直区域内形成上下联通的热腔体；

9、2)在形成上下联通的热腔体后，停止向生产井和排砂井注入热流体，继续向注热分支井注入热流体以溶解天然气水合物，溶解后的天然气经生产井产出，而天然气水合物溶解后产生的水和砂粒由排砂井排出；通过控制注热分支井中注入热流体的温度及压力来控制生产井中产出物的流量；

10、3)当天然气水合物开采至预期或开采完后，先向各三水平井井组中的生产井、注热分支井和排砂井注入水，注满后再向生产井、注热分支井和排砂井注入水泥或支撑剂，完成井网的封堵。

11、上述方法中，如根据需要对封堵的井网重新启用以进一步开采天然气水合物时，上述方法进一步还包括下述步骤4)：

12、4)将封堵后的井网重新打通，在各三水平井井组的生产水平段、注热分支水平段以及排砂水平段上设置隔热管组的相应位置处进行射孔，完成后继续步骤1)至步骤3)，直至将天然气水合物开采完毕。

13、与现有技术相比，本发明的特点在于：

14、1.采用以注入井为中心，以丛式井方式向四周射线状布设的逆向三水平井井网结构实现各三水平井井组的统一注热，实现热量定向传递，提高了热量的利用效率；省略多个注热通道的钻进，节约了开发成本。

15、2.采用特别结构的三水平井井组设计可有效排出砂粒和水，避免井筒堵塞，还能防止储层垮塌，具体体现在：在靠近下覆岩层处增设排砂井，结合隔热管组及开孔的设置，通过热循环，在三口井水平段上开孔位置相应的同一竖直区域内形成上下联通的热腔体，实现为天然气水合物分解提供所需热量的同时，通过排砂井排出天然气水合物溶解产生的水及砂粒，有效避免井筒的堵塞，同时预留隔热管组上下的天然气水合物作为支撑体，防止储层垮塌造成天然气泄露。

技术特征：

1.用于开采天然气水合物的逆向三水平井井网结构，其特征是，包括多个三水平井井组，各三水平井井组沿注入井(10)呈放射状均匀布置；每个三水平井井组均由生产井(3)、注热分支井(2)和排砂井(1)构成，其中生产井(3)包括生产竖直段(301)和生产水平段(302)，注热分支井(2)包括注热造斜段(201)和注热分支水平段(202)，排砂井(1)包括排砂竖直段(101)和排砂水平段(102)，所述生产水平段(302)、注热分支水平段(202)和排砂水平段(102)均位于天然气水合物储层(5)中，所述生产水平段(302)靠近上覆岩层(4)，排砂水平段(102)靠近下覆岩层(6)，注热分支水平段(202)位于生产水平段(302)和排砂水平段(102)之间；所述三水平井井组中的注热分支井(2)均与注入井(10)连通；

2.根据权利要求1所述的用于开采天然气水合物的逆向三水平井井网结构，其特征是，所述生产水平段(302)的延伸方向和排砂水平段(102)的延伸方向相同，注热分支水平段(202)的延伸方向与之反向。

3.根据权利要求1或2所述的用于开采天然气水合物的逆向三水平井井网结构，其特征是，所述开孔(9)在生产水平段(302)、注热分支水平段(202)或排砂水平段(102)的井壁上沿井壁长度方向上间隔分布，同时沿井壁周向均匀分布。

4.根据权利要求1或2所述的用于开采天然气水合物的逆向三水平井井网结构，其特征是，所述开孔(9)的口径为天然气水合物储层(5)中最大砂粒半径的2倍以上。

5.利用权利要求1～4中任一项所述逆向三水平井井网结构开采天然气水合物的方法，包括以下步骤：

6.利用权利要求5所述逆向三水平井井网结构开采天然气水合物的方法，还包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种用于开采天然气水合物的逆向三水平井井网结构及方法，属于天然气水合物开采技术领域。所述的逆向三水平井井网结构包括多个沿注入井呈放射状均匀布置的三水平井井组，每个三水平井井组均由生产井、注热分支井和排砂井构成，其中的注热分支井与注入井连通；各井位于天然气水合物储层中的水平段的井壁上沿长度方向均匀间隔的设置有若干隔热管组，各个隔热管组由分别设置于各井水平段上的隔热管组成，同一隔热管组中的隔热管上下对齐；在生产水平段、注热分支水平段以及排砂水平段的井壁上未设置隔热管的部分设置有开孔。本发明所述井网结构可有效排出砂粒和水，避免井筒堵塞，还能防止储层垮塌。

技术研发人员：陈雄,杨付林,蔡平雄,周雄,李岩,陈波,方丽萍
受保护的技术使用者：北部湾大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15